氮化鎵（GaN）的晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1. GaN的晶體結(jié)構(gòu)

到目前為止我們已知的GaN有三種晶體結(jié)構(gòu)，它們分別為纖鋅礦（Wurtzite）、閃鋅礦（Zincblende）和巖鹽礦（Rocksalt）。通常的情況下纖鋅礦是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。目前學(xué)術(shù)上在薄膜的外延生長中主要以藍(lán)寶石、Si、砷化鎵、氧化鎂等的立方相結(jié)構(gòu)作為襯底，以（011）面為基面有可能得到比較穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵納米材料。但是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN通常在高溫的條件下會(huì)轉(zhuǎn)變成更加穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN。而巖鹽相是GaN的高壓相結(jié)構(gòu)（壓力一般大于37GPa）通常情況下是不容易存在的。

如圖1為GaN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)圖，纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN所對(duì)應(yīng)的空間群結(jié)構(gòu)是P63mc（C46V）。這種結(jié)構(gòu)的氮化鎵是六角晶胞結(jié)構(gòu)，即每個(gè)晶胞中含有6個(gè)N原子和6個(gè)Ga原子，晶格常數(shù)有a和c兩個(gè)。Wurtzite結(jié)構(gòu)氮化鎵存在兩套密排（HCP）子晶格，分別僅包含Ga原子或僅包含N原子，然后它們沿c軸相互錯(cuò)開5/8c（c為晶格常數(shù)）。這種結(jié)構(gòu)在高壓的情況下是有可能發(fā)生相變從而轉(zhuǎn)變?yōu)閹r鹽礦結(jié)構(gòu)的GaN（如圖3所示）的。但是學(xué)術(shù)界關(guān)于相變壓力有不同的說法，是存在一定的異議的，但是一般情況下認(rèn)為相變壓力在30-40GPa之間，但是GaN的納米結(jié)構(gòu)相變壓力會(huì)大些，一般在60GPa左右，但是這種相變是一種可逆的過程，一旦系統(tǒng)中的壓力消失以后，巖鹽礦結(jié)構(gòu)的GaN又會(huì)重新轉(zhuǎn)變成通常更加穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。

如圖2所示為閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaN，這種GaN結(jié)構(gòu)具有立方晶胞，每個(gè)晶胞中都含有4個(gè)Ga原子和四個(gè)N原子。立方結(jié)構(gòu)氮化鎵所對(duì)應(yīng)的空間群結(jié)構(gòu)為F-43m（T2d）。閃鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵的原子在晶胞中的排布和金剛石結(jié)構(gòu)的原子排布很相似，都是兩個(gè)相互套穿后沿體對(duì)角線錯(cuò)開1/4的面心立方格子，而每個(gè)原子則可以看作是處在以其四個(gè)最臨近原子為頂角組成的四面體的中心位置。同樣閃鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鎵在高溫的情況下也是不穩(wěn)定的是有可能轉(zhuǎn)化成巖鹽礦結(jié)構(gòu)的GaN或者纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化鎵的。

圖1 纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN

圖2 閃鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN

圖3 巖鹽礦結(jié)構(gòu)GaN

Wurtzite結(jié)構(gòu)的GaN與Zincblende結(jié)構(gòu)的GaN在結(jié)構(gòu)上是非常相似的，每個(gè)Ga原子周圍都是有四個(gè)N原子，每個(gè)N原子周圍又都是有四個(gè)Ga原子。這兩種結(jié)構(gòu)最主要的區(qū)別是在于最密面的堆積方式有所不同。在六方結(jié)構(gòu)中（001）面是沿［001］方向以ABABABAB排列的，而在立方結(jié)構(gòu)中（111）面是沿［111］方向以ABCABC排列的。

2. GaN的基本性質(zhì)

氮化鎵通常情況下為白色或者微黃色的固體粉末，是一種極其穩(wěn)定的化合物，又是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)大約為1700℃，氮化鎵具有很強(qiáng)的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的。通常情況下氮化鎵結(jié)構(gòu)是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它的一個(gè)元胞中有四個(gè)原子，原子體積約為砷化鎵原子體積的一半，因?yàn)榈壊牧系挠捕雀撸溆质且环N很好的圖層保護(hù)材料。氮化鎵不溶于水、酸，而在熱堿中會(huì)緩慢溶解，氫氧化鈉、磷酸和硫酸能較快的腐蝕質(zhì)量比較差的氮化鎵，這點(diǎn)可以用來檢測(cè)氮化鎵的晶體缺陷。氮化鎵與氯化氫氣體或氫氣高溫共存時(shí)呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在氮?dú)鈿夥障率亲罘€(wěn)定的。氮化鎵在空氣中加熱到800℃以上開始氧化，氧化生成氧化鎵，而在1050℃以上開始化學(xué)鍵斷裂分解。在電學(xué)性質(zhì)方面，氮化鎵的電學(xué)性質(zhì)是影響氮化鎵電子器件的主要因素。未有意摻雜的氮化鎵在任何情況下都是呈n型的，最好樣品的電子濃度大約為4×1016/cm3。一般情況下所制備的p型氮化鎵都是高補(bǔ)償型的。很多科研小組都從事過這方面的研究工作，其中中村小組報(bào)道了氮化鎵材料在室溫下和液氮溫度下的電子最高移動(dòng)速率分別是μn=600cm2/v·s和μn=1500cm2/v·s，而相應(yīng)的載流子濃度分別是n=4×1016/cm3和n=8×1015/cm3。近年來報(bào)道的金屬有機(jī)物氣相沉積氮化鎵層的電子濃度約為4×1016/cm3。未摻雜情況下，載流子濃度可控制在1014~1020/cm3的范圍內(nèi)。另外，通過p型摻雜工藝、鎂的低能電子束輻照或者退火處理，已能將氮化鎵摻雜濃度控制在1011~1020/cm3的范圍內(nèi)。在光學(xué)性質(zhì)方面，學(xué)術(shù)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氮化鎵是具有多種不同的發(fā)光機(jī)制的，并且得到了在不同波長下的多個(gè)發(fā)光峰。到目前為止，我們知道的氮化鎵材料的發(fā)光機(jī)制包括以下幾種分別是帶間躍遷發(fā)光、帶邊躍遷發(fā)光、激子復(fù)合發(fā)光、雜質(zhì)或缺陷能級(jí)躍遷引起的發(fā)光等。隨著研究的深入，氮化鎵材料必將在藍(lán)光和紫光發(fā)射器件上的有更深層次的應(yīng)用。